Интенсивность потока излучения солнца

Интенсивность потока излучения солнца

Интенсивность солнечного излучения на поверхности Земли

Интенсивность солнечного излучения у земной поверхности в основном зависит от двух факторов: угла наклона лучей к плоскости поверхности в данной точке и длины пути лучей в атмосфере. Оба эти фактора зависят от высоты Солнца h.

Рис. 9. Интенсивность солнечной радиации на наклонной поверхности

Если через I обозначить интенсивность излучения, падающего на горизонтальную поверхность под углом i к ее нормали, как показано на рис. 9, то интенсивность облучения этой поверхности определяется произведением I*cos i. Наклон любой поверхности, например склона горы или крыши дома, можно задать через направление нормали к ней (то есть так же, как мы определили кажущееся положение Солнца) путем задания высоты ψ и азимута ξ. Эти углы показаны на рис. 10. Нам не следует глубоко вникать в подробности расчета интенсивности излучения, падающего на такие наклонные поверхности, однако следует хотя бы в общих чертах описать метод подобных расчетов. В результате соответствующих тригонометрических преобразований мы получаем уравнение, позволяющее определить угол i между направлением солнечных лучей и нормалью к освещаемой поверхности:

Рис. 10. Угловые координаты нормали к наклонной поверхности

Из уравнения видно, что для поверхности, нормаль к которой лежит в той же вертикальной плоскости, что и Солнце (то есть ξ = A), угол i = h — ψ. Поскольку толщина атмосферы Земли много меньше ее радиуса, при вертикальном падении лучей длина пройденного ими пути в атмосфере почти обратно пропорциональна sin h (рис. 11). Кривизну Земли необходимо учитывать только при очень малой высоте Солнца. Такое упрощение очень удобно. Для измерения длины пути солнечных лучей в атмосфере метеорологи пользуются специальной единицей, называемой воздушной массой. Единице воздушной массы соответствует путь, пройденный лучами при вертикальном падении. Тогда для любой высоты Солнца h воздушная масса равна 1/sin h. Такое допущение вполне оправдано, поскольку рассеяние и поглощение солнечного излучения при этом пропорциональны длине пути лучей, измеренной в воздушных массах.

Рис. 11. Ход солнечных лучей в атмосфере

Например, если угол h принимает значения 42, 30 и 0°, то воздушная масса соответственно равна 1,5; 3. В период зимнего солнцестояния в Северной Европе или центральной Канаде максимальное значение высоты Солнца не превышает 15°, следовательно, величина воздушной массы равна 4, поэтому даже в полдень фактический путь солнечных лучей в атмосфере в 4 раза превышает их путь при вертикальном падении.

Уменьшение интенсивности и видоизменение спектрального распределения солнечной энергии, обусловленные поглощением и рассеянием в атмосфере, зависят от длины воздушного пути, или воздушной массы, довольно сложным образом. На рис. 12 приблизительно показана такая зависимость для безоблачной атмосферы. Как мы уже говорили, на интенсивность солнечного излучения существенно влияют рассеяние и избирательное поглощение молекулами водяного пара и углекислого газа. Площадь, ограничиваемая этими кривыми, представляет собой интенсивность I, то есть полную энергию, поступающую в единицу времени на единицу поверхности, обращенную непосредственно к Солнцу. Значениям высоты Солнца 90, 30, 20 и 12° (воздушная масса соответственно 1, 2, 3 и 5) при безоблачной атмосфере соответствуют интенсивности около 900, 750, 600 и 400 Вт /_{м 2} . Интенсивности для других, промежуточных значений высоты с учетом соответствующих величин воздушной массы можно получить путем интерполяции. (Заметим, что, поскольку интенсивность есть скорость прохождения энергии солнечных лучей через единицу перпендикулярной им поверхности, то она соответствует мощности и оценивается в единицах удельной мощности Вт /_{м 2} .)

Рис. 12. Влияние атмосферы на распределение энергии солнечной радиации

В зависимости от местоположения, а также от времени суток и сезона распределение энергии по длинам волн может несколько отличаться от приведенного выше: для длин волн менее 0,35 мкм в среднем лишь на один процент и для видимой и инфракрасной областей спектра — до 50%.

В действительности полная энергия падающего излучения превышает указанные значения, поскольку она включает не только прямую составляющую, но и рассеянную. В последнюю, в частности, входит та часть излучения, которая рассеивается различными компонентами атмосферы, но тем не менее попадает на поверхность Земли (см. рис. 5). Рассеянное излучение, которое иногда называют небесным светом, составляет значительную долю полной энергии (при низких высотах Солнца она может достигать половины ее). Поскольку интенсивность рассеянного излучения трудно оценить с большой точностью, в разных работах часто даются существенно отличающиеся ее значения. Для ориентировочных расчетов воспользуемся некоторыми приближенными значениями интенсивности, взятыми для прежних значений воздушной массы, а именно 1, 2, 3, 5. Величины рассеянной составляющей интенсивности излучения на горизонтальной поверхности при этих условиях соответственно равны 110, 90, 70 и 50 Вт /_{м 2} . При необходимости эти значения интерполируются. В случае наклонных поверхностей мы не будем пытаться точно учитывать изменение рассеянной составляющей в зависимости от наклона. Мы воспользуемся ее значениями, полученными для горизонтальной поверхности, и умножим их на некий коэффициент, величина которого линейно уменьшается в зависимости от наклона от 1,0 для горизонтальной поверхности до 0,5 — для вертикальной. (При вертикальной поверхности можно «наблюдать» лишь половину неба.) Энергетический спектр рассеянной составляющей излучения несколько сдвинут в сторону более коротких волн по сравнению со спектром прямой составляющей, поскольку именно в области коротких волн рассеяние излучения в атмосфере максимально.

Источник

Характеристики солнечного излучения

Плотность потока солнечного излучения, падающего на площадку, перпендикулярную этому потоку и расположенную над атмосферой на расстоянии 150 млн. км от Солнца, равна солнечной постоянной G0=1,353 кВт/м 2 . Это — так называемое солнечное космическое излучение.

Солнечное излучение обусловлено ядерными реакциями в ядре Солнца, где температура достигает 10 млн.К. Внешние неактивные слои, нагретые до 5800°К, изменяют спектр, и к верхней границе атмосферы поступает излучение в диапазоне 0,3…2,5 микрон.

Солнечный спектр состоит из трёх участков: (1) ультрафиолетовое излучение (с длиной волны до 0,4 микрон) – составляет 9% интенсивности, (2) видимое излучение (0,4…0,7 микрон) – 45% интенсивности и (3) инфракрасное излучение (более 0,7 микрон) – 46% интенсивности.

Часть энергии солнечного излучения доходит до Земли в виде прямых солнечных лучей. Другая часть, достигая атмосферы, рассеивается облаками и пылью и доходит до поверхности Земли в виде рассеянного излучения. Первую часть потока в отличии от второй можно сфокусировать и в таком виде использовать в технических устройствах. Отношение интенсивности направленного потока к полной интенсивности излучения меняется от 0,9 в ясный день до нуля в пасмурный день.

Максимальная плотность направленного солнечного излучения на 1 м 2 поверхности Земли – около 1 кВт/м 2 в диапазоне волн 0,3…2,5 микрон. Это – коротковолновое излучение и оно включает видимый спектр. В зависимости от времени суток, места, погоды плотность излучения меняется в десятки раз. Эта тепловая энергия может быть использована с помощью технических устройств. Плотность потока энергии излучения, связывающая атмосферу с поверхностью земли также около 1 кВт/м 2 , но уже в диапазоне длинных волн 5…25 микрон.

Полная энергия солнечного излучения, которая приходится на единицу поверхности за день, представляет собой суточную облучённость. Величина суточной облучённости (Н) зависит от широты местности и времени года. В высоких широтах сезонные изменения особенно велики из-за меняющейся продолжительности дня, меняющейся ориентации приёмной площадки (горизонтальной плоскости), изменяющегося поглощения в атмосфере.

Сезонные изменения суточной облучённости горизонтальной приёмной площадки в ясный день на разных широтах – представлены на графике, рис.2.1.1. Летом она составляет 25…26 МДж/м в день или 7 кВт·ч/м 2 в день во всех широтах, зимой – в высоких широтах она намного меньше из-за более короткого дня, косого падения лучей и большего ослабления атмосферой. Расстояние, пройденное прямыми солнечными лучами через атмосферу, зависит от угла падения (зенитного угла) и высоты над уровнем моря. При этом важно не только само расстояние, а взаимодействие излучения с атмосферными газами и парами. Увеличение длины пути при наклонном падении луча по сравнению с путём при нормальном падении называют оптической массой. Облученность горизонтальной площадки в течение суток летом и зимой характеризуется рис.2.1.2.

Прохождение солнечного коротковолнового излучения через атмосферу сопровождается: (1) поглощением, т.е. переходом энергии излучения в тепло, с последующим излучением света большей длины волны, (2) рассеянием, т.е. изменением направления распространения света в зависимости от длины волны, (3) отражением, которое не зависит от длины волны.

Прохождение в атмосфере различно для разных участков спектра солнечного и атмосферного излучения. Оно приводит к повышению температуры.

Коротковолновая ультрафиолетовая область (до 0,3 микрон) почти полностью отсутствует на уровне моря, так как поглощается кислородом О2, О3, О и азотом N2.

Коротковолновая ультрафиолетовая область (0,3…0,4 микрон)- частично проходит.

Видимый диапазон (0,4…0,5 микрон) почти полностью проходит через чистую (не загрязнённую) атмосферу. Это почти половина потока солнечного излучения.

Ближняя инфракрасная область (0,7…2,5 микрон) – почти половина солнечного космического излучения – в значительной степени (на 20%) поглощается в атмосфере в основном парами воды и углекислого газа СО2.

Инфракрасный диапазон (более 12 микрон) – для него атмосфера

Рис.2.1.1. Суточная облученность в зависимости от широты местности и времени года.

Рис.2.1.2. Облученность горизонтальной площадки на широте

54 градуса в течение суток

Отражённое коротковолновое излучение возвращается в космическое пространство. Это 30% солнечного космического излучения. Большую часть отражают облака, меньшую снег и лёд на поверхности земли. Плотность оставшегося потока коротковолнового излучения и составляет около 1 кВт/м 2 .

Измерения солнечной энергии необходимы для расчётов эффективного использования солнечных установок. Для измерения используются пиргелиометры, солариметр и другие приборы. Эталонный пиргелиометр– служит для измерения направленного излучения путём сравнения с нагревом поверхности электрическим током; солариметри солнечные элементы – для измерения суммарного излучения; актинометр – для измерения прямого излучения. Для определения количества солнечных часов применяются самописцы. Обычные визуальные наблюдения невооружённым глазом и фотографирование со спутников позволяют оценить облачность.

Собирающий приёмник должен быть расположен прямо по направлению потока солнечного излучения. Оптимальное расположение фиксированного плоского приёмника определяется из условия получения максимума суммарной (интегральной) облучённости за день, месяц, год:

где облучённость прямыми солнечными лучами площадки, перпендикулярной прямым лучам, кВт/м 2 ,  — угол между направлением потока излучения и нормалью к поверхности приёмника,

облучённость рассеянным облучением, кВт/м 2 .

Иногда приёмник располагают по направлению к экватору, иногда- ориентируют в зависимости от того, когда нужно получить больший поток энергии– утром или днём.

Ориентировочные суточные изменения облучённости горизонтальной поверхности в ясные дни в различные времена года для Беларуси (54 градуса северной широты) представлены на графике, рис.2.1.2.

Максимальная облученность горизонтальной поверхности или плотность направленного солнечного излучения летом составляет

0,8 кВт/м 2 , зимой – 0,2 кВт/м 2 . В тропиках максимальная облученность около 0.9 кВт/м 2 круглый год.

Величина суточной облучённости может быть определена как

,

где Gм- максимальная облучённость площадки прямыми солнечными лучами, кВт/м 2 ;

N – продолжительность светового дня, часов;

где: φ– широта места,

- склонение, или угол между направлением от Солнца и экваториальной плоскостью;

В северном полушарии 21 июня =23,5°, 21 декабря = -23,5°.

Наибольшее число солнечных часов в году в восточной Сахаре– 4300 (97% возможных), в Беларуси- 2000…2300 (50% возможных).

Доля приходящего солнечного излучения, которое может быть сфокусировано на приёмнике зависит от облачности и запылённости атмосферы и от угла наклона приёмника.

Индекс ясности Кт – это отношение лучистой энергии, пришедшей на горизонтальную поверхность за день к энергии пришедшей на параллельную ей поверхность, расположенную вне атмосферы. Для самого ясного дня Кт»0,8. Для таких дней доля рассеянной составляющей излучения равна 0,2; она увеличивается до 1 в пасмурные дни, когда Кт=0. В солнечные дни при небольшой облачности и при значительном количестве аэрозолей в атмосфере рассеянная составляющая равна 0,5.

Фокусирующие системы плохо работают в условиях сильной облачности. Однако, системы, следящие за солнцем, могут собирать большую часть потока, идущую по нормали к поверхности.

Максимум облучённости приёмника зависит от широты расположения, угла наклона приёмника и времени года. Так для местности, расположенной на 45° северной широты при Кт»0,5 , коэффициенте отражения земли 0,2 средняя облучённость вертикальной поверхности мало изменяется от времени года и составляет 8…12МДж/ м или 2,2…3,3 кВт·ч/м в день. Средняя облучённость горизонтальной поверхности для этой широты изменяется в более широких пределах от 5 МДж/ м в декабре до 20 МДж/ м в день в июне. Этого может быть достаточно для создания солнечных электростанций. (45°северной широты – это Крым, Север Италии, Центральная Франция).

Источник